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Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado Decanato de Ingeniería Civil

ACUEDUCTOS Y CLOACAS

Ing. Luis E. Ramos Rojo [email protected]

Barquisimeto, 2005 Luis Ramos R

Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado Decanato de Ingeniería Civil

CAPITULO IV

SISTEMAS DE DISPOSICION DE AGUAS SERVIDAS CLOACAS Ing. Luis E. Ramos Rojo [email protected]

Barquisimeto, 2005 Luis Ramos R

SISTEMAS DE RECOLECCION Y DISPOSICION DE AGUAS SERVIDAS Sistemas de tuberías que tienen la finalidad de recolectar y transportar las aguas residuales de carácter domestico, industrial, comercial e institucional generadas en zonas urbanas ó rurales hasta los sitios de disposición final, de manera que las mismas no causen problemas sanitarios.

Las normas empleadas para el diseño de estos sistemas son: “Normas e instructivos para el proyecto de alcantarillados 1989” INOS. “Normas sanitarias para proyecto, construcción, reparación y reforma de edificios” Luis Ramos R

Características generales de las aguas residuales Aguas residuales domésticas Aguas residuales industriales.

Componentes

Aguas pluviales Infiltración y conexiones incontroladas

Aguas residuales domésticas Provienen de las actividades netamente domésticas, tales como: Lavado de ropa, pisos, higiene personal, limpieza de alimentos, usos sanitarios, etc. Las agua de origen institucional y comercial se pueden considerar domésticas. Estas constituyen la mayor parte de las aguas servidas Luis Ramos R

Características típicas de aguas residuales domésticas en mg/l Contribuyentes

Valores medios

Sólidos totales

500

Sólidos volátiles

350

Sólidos fijos

150

Sólidos suspendidos totales

300

Sólidos sedimentables

20

Sólidos volátiles

250

Sólidos fijos

50

Sólidos disueltos

200

Sólidos volátiles

100

Sólidos fijos

100

DBO 5 días a 20°C

180 – 200

Oxigeno disuelto

0

Nitrógeno Total

50

PH

6.5 – 7.5

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La materia orgánica contenida en las aguas servidas altera la calidad del agua de abastecimiento transformándola en nociva para la salud y en transporte de enfermedades de origen hídrico tales como: hepatitis, gastroenteritis, amebiasis, etc La materia orgánica contenida en las aguas residuales de origen doméstico tienen la siguiente composición global. 40% Compuestos nitrogenados. 50% Hidratos de carbono. 10% Grasas

De ahí la importancia para recolectarla y transportarlas a sitios donde se pueda tratar adecuadamente Luis Ramos R

Aguas residuales industriales La composición química de las mismas es muy variable y depende exclusivamente del tipo de proceso industrial involucrado. De acuerdo a las normas venezolanas las industrias pueden descargar directamente al sistema de cloacas si cumplen lo especificado en la ley orgánica del ambiente, capitulo III. En general las industrias deben tratar sus efluentes antes de ser vertidos al sistema de cloacas ó a cualquier cauce.

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Una vez que las aguas residuales son descargadas al sistema de cloacas se inicia un proceso de degradación de la materia orgánica, el cual genera metano y sulfuro de hidrógeno. Altamente corrosivo Sulfuro de hidrogeno

Produce olores desagradables En altas concentraciones causan ambientes altamente peligrosos para la salud.

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Para evitar altas concentraciones se requiere diseñar sistemas con velocidades de flujo mayores ó iguales a 0.9 m/seg y periodos de retención no mayores de 15 minutos, especialmente en tramos largos. Deben evitarse zonas de alta turbulencia puesto que las misma contribuyen para que el sulfuro de hidrógeno se volatilice y se concentre en las bocas de visitas.

Cuando la diferencia de rasantes en una boca de visita sea superior a 60 cms debe proyectarse una caída, que contribuya a minimizar la turbulencia.

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COMPONENTES DEL SISTEMA Las normas establecen que la red de cloacas será independiente del sistema de drenaje es decir sistemas separados.

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Tanquilla de Empotramiento: Estructuras encargadas de captar el agua proveniente de la edificación usualmente se ubica frente a la parcela y debajo de la acera.

Diámetro mínimo de la tanquilla de empotramiento 250 mm (10 plg).

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Diámetro mínimos de las tuberías y tanquillas de empotramiento según las dotaciones de agua. Dotación asignada parcela lt/día

Diámetro mínimo tubería de empotramiento mm plg

Diámetro mínimo tanquilla de empotramiento mm plg

Hasta 15.000

150

6

250

10

15.001 – 45.000

200

8

300

12

45.001 – 100.000

250

10

380

15

100.001 – 200.000

300

12

457

18

200.001 – 400.000

380

15

610

24

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Ramal de empotramiento: Tramo de tubería que conecta la tanquilla de empotramiento con el colector ubicado en la calle.

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Ramal de empotramiento

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Características que debe cumplir los ramales de empotramiento 1.- No se pueden realizar dos empotramientos en el mismo sitio de tubería (colector).

2.- El empotramiento se debe realizar con una Ye de 45° en la dirección del flujo. 3.- La pendiente del ramal de empotramiento estará comprendida entre 1 y 10 %. 4.- La profundidad del tubo de empotramiento en la acera estará entre 0.8 y 2 mts.

5.- El tubo empotrado nunca debe sobresalir dentro del colector al cual se empotra. 6.- El diámetro mínimo del ramal de empotramiento será de 150 mm Luis Ramos R

Bocas de visita: Estructuras utilizadas para mantenimiento y funcionamiento del sistema, a través de estas, se puede tener acceso directo al colector ó tubería, básicamente son tanquillas de inspección Boca de visita: Tipo Ia. Se utiliza entre 1.15 y 5 metros de profundidad. Elementos que la forman: .- Cono excéntrico.

.- Cilindro. .- Base. Luis Ramos R

Boca de visita: Tipo Ib Se utiliza para prof. mayores de 5 mts. Elementos que la forman: .- 2 tipos de conos excéntricos. .- 2 tipos de cilindro. .- Base.

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Bases para bocas de visita: usualmente se construyen en el sitio y mediante estas se direcciona el flujo de las aguas residuales

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Según las normas sanitarias las bocas de visita deben proyectarse en los siguientes puntos:

1. En toda intersección de colectores. 2. En el comienzo de todo colector

3. En todo cambio de dirección, diámetro, pendiente, y material empleado en los colectores. 4. En tramos rectos a una distancia no mayor de 150 m. 5. En los colectores alineados en curva, al comienzo y fin de la misma y a una distancia no mayor de 30 metros en el interior de la curva Luis Ramos R

Disposiciones interiores típicas de bases para bocas de visitas

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Caída típica para controlar las emisiones de Sulfuro de hidrógeno dentro de una boca de visita.

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Colectores: Tuberías encargadas de transportar las aguas residuales hasta su sitio de disposición final. El tipo de material de la tubería mas utilizado es el concreto construidas según la norma INOS- CL-C-65. En la actualidad se esta empleando con frecuencia Tubería PVC con junta automática, es más costosa pero tiene un mayor rendimiento Características de los colectores más empleados. Material Concreto > 24 plg Concreto < 21 plg PVC Acero PEAD

Coef Rugosidad Manning 0.013 0.015 0.012 0.012 0.012 Luis Ramos R

Ubicación de colectores Se deben ubicar en el centro de la vía ó calle y en los canales de servicio en caso de avenidas con isla central.

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Información Básica necesaria. En general la información requerida tiene que ver con los siguientes aspectos: 1. Topografía de la zona.

2. Demografía y dotaciones de agua 3. Sitios de disposición de las aguas residuales Dependiendo del tipo de proyecto a realizar, la información puede variar, estos pueden ser: 1. Proyectos para futuros urbanismos. 2. Proyectos para localidades ya existentes. Luis Ramos R

Proyectos para futuros urbanismos. Información requerida Planos de urbanismo: Deben incluir trazado de vías, uso y área de las parcelas, zonificación, ubicación en el contexto urbano y conexión con la vialidad de la zona. Planos de vialidad: Que indiquen pendientes longitudinales y transversales de las vías, cotas de las parcelas, secciones y perfiles de las vías. Topografía modificada. Sitios de disposición final: estos pueden ser: 1. Descargas a la red de cloacas de la localidad a través de bocas de visita. 2. Descargas a través de plantas de tratamiento

3. Descargas directas a cuerpos de agua, si lo permite la autoridad competente Luis Ramos R

Ubicación de sitios de disposición

Topográfica: enlazar el punto de descarga con la topografía del futuro urbanismo referida a cartografía nacional. Cuando la descarga se realice en una boca de visita, deberá determinarse: profundidad de la misma, diámetro y capacidad del colector.

Solicitar autorización a la autoridad competente para realizar la descarga en el sitio previsto

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Proyectos para localidades ya existentes. Información requerida Topografía

1. Levantamiento plani-altimétrico de la localidad, con referencia a cartografía nacional. 2. Nivelación detallada de la zona en referencia, esta se realiza siguiendo el eje de la vía

3. enlazar el punto de descarga con la topografía de la localidad referida a cartografía nacional. 4. Levantamiento de puntos notables de las rasantes de las vías (puntos altos y bajos, fondo de alcantarillas, drenajes , puentes)

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Proyectos para localidades ya existentes. Información requerida Topografía 5. Levantamiento de zonas donde se ubiquen las servidumbres de paso en caso de necesidad. 6. Indicar el ancho de las parcelas en cada cuadra. Así como la cota de terreno donde se ubica si la misma está por debajo de la rasante de la vía, también deberá señalarse si esta construida. 7. Deben dejarse en el terreno, puntos de referencia (BM) en número suficiente. 8. Ubicación política de la localidad

Luis Ramos R

Proyectos para localidades ya existentes. Información requerida Demografía y características de la población. 1. Recopilación de censos y catastro de la localidad.

2. Zonificación actual y futura de las zonas a servir. 3. En caso de existir planos de desarrollo urbano local, señalar su influencia respecto al proyecto que se propone. 4. Usos previsto de las áreas donde se desarrollará el proyecto 5. Servicios públicos existentes y futuros Luis Ramos R

Proyectos para localidades ya existentes. Información requerida Demografía y características de la población. 1. Recopilación de censos y catastro de la localidad.

2. Zonificación actual y futura de las zonas a servir. 3. En caso de existir planos de desarrollo urbano local, señalar su influencia respecto al proyecto que se propone. 4. Usos previsto de las áreas donde se desarrollará el proyecto

5. Servicios públicos existentes y futuros 6. Inspección en sitio de posibles sitios de descarga Luis Ramos R

Red de Colectores Urbanos En Ciudades y poblaciones en general se tiene un sistema principal de colectores, el cual puede estar constituido por uno o varios colectores de gran diámetro cuyo objetivo principal es recoger todas las aguas residuales de la población a través de una red secundaria formada por tuberías de pequeños diámetros y transportarla al ó los sitios de disposición final. Colectores Principales: Formados por tuberías de gran diámetro, usualmente se ubican en las márgenes de los río y quebradas que atraviesan la población ó en las zonas mas bajas. Es común que los mismos recorran toda la ciudad. Colectores Secundarios: Formados por tuberías de pequeño diámetro, descargan las aguas residuales provenientes de pequeñas zonas urbanas y urbanizaciones a la red principal. Luis Ramos R

Red Principal de la ciudad de Barquisimeto

En algunas ocasiones a los colectores principales suelen llamarlos emisarios. Luis Ramos R

Red de Colectores Urbanos Es común clasificar como colectores principales y secundarios la red correspondiente a un urbanismo ó a una zona urbana en particular. En este caso: Colectores Principales: Serán las tuberías que recogen todas las aguas residuales de la zona en consideración y la transportan a la red principal de colectores de la ciudad. ciudad. Colectores Secundarios: Recogen las aguas provenientes de las diferentes edificaciones y las transportan hacia los colectores principales de la zona en consideración. Luis Ramos R

Configuración de las redes de servicio. El trazado de la red de cloacas Es función • Topografía de la zona a servir • Sitio de descarga

No existe un procedimiento rígido para el trazado

Sólo Recomendaciones Luis Ramos R

Trazado de colectores Recomendaciones generales 1. Ubicar en el plano de planta, un empotramiento frente a cada parcela.

2. Determinar el sentido de flujo en las diferentes vías que conforman el proyecto, esto se debe realizar con la topografía modificada en el plano de vialidad y las pendientes longitudinales. 3. Delimitar las posible micro cuencas existentes en el parcelamiento. Esto se realiza trazando las divisorias de agua ó parte aguas. 4. Trazado de colectores principales. Luis Ramos R

Trazado de colectores Recomendaciones generales 4.1. Los colectores principales se inician partiendo del punto de descarga y recorriendo el parcelamiento por las vías de menor pendiente hasta llegar a los puntos mas altos del urbanismo o ha divisorias de agua. 5. Una vez definidos los colectores principales se trazan los secundarios, los cuales no tendrán problemas de descarga puesto que siempre estarán ubicados en calles de mayor pendiente. 6. Se deben evitar los colectores en contra pendiente. 7. Se recomienda trazar todo el sistema de colectores siguiendo la pendiente natural propuesta en la topografía modificada

8. Estudiar varias alternativas para la red. Luis Ramos R

Trazado de colectores Recomendaciones generales 4.1. Los colectores principales se inician partiendo del punto de descarga y recorriendo el parcelamiento por las vías de menor pendiente hasta llegar a los puntos mas altos del urbanismo o ha divisorias de agua.

5. Una vez definidos los colectores principales se trazan los secundarios, los cuales no tendrán problemas de descarga puesto que siempre estarán ubicados en calles de mayor pendiente. 6. Se deben evitar los colectores en contra pendiente. 5. Estudio de varias alternativas en base a los colectores principales. Luis Ramos R

Planta de un futuro urbanismo

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Colectores principales propuestos.

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Urbanismo incluyendo topografía modificada

Luis Ramos R

Sistema definitivo propuesto

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Gastos de Diseño. Los gastos de aguas residuales están íntimamente ligados a lo gastos provenientes del acueducto, puesto que las mismas se producen al utilizar las aguas blancas.

Por lo tanto: QAN función Qm

Donde: QAN= Gasto máximo de aguas residuales Qm = Gasto medio del acueducto. Luis Ramos R

Gastos de Diseño. Las normas establecen que los gastos de aguas residuales se deben estimar a partir de los siguientes aportes:

QAN = Qdom + Qcom + Qinst + Qind + Qinf donde: Qdom = aporte residencial ó doméstico Qcom = aporte comercial. Qinst = aporte institucional. Qind = aporte industrial. Qinf = gastos de infiltración Luis Ramos R

Estimación de las aguas residuales de origen residencial. Qdom = K R Qm Donde: Qdom = gasto de agua residual de origen domético. Qm= Gasto medio del acueducto en lps. K = Coeficiente función de la población a servir.

R = Coeficiente de reingreso, igual a 80%.

14 K  1 4 p P = población en miles Luis Ramos R

Estimación de las aguas residuales de origen comercial. Qcom = R Qm Donde: Qcom = gasto de agua residual de origen comercial. Qm= Gasto medio del área comercial en lps. R = Coeficiente de reingreso, igual a 80%. El gasto medio del área comercial se estima en base a las dotaciones de agua establecidas en la gaceta oficial para las zonas comerciales. En muchas ocasiones se incluyen dentro del gasto doméstico puesto que su composición es netamente doméstica en la Luis Ramos R mayoría de los casos

Estimación de las aguas residuales de origen institucional.

Qinst = R Qm

Donde: Qcom = Gasto de agua residual de origen institucional. Qm= Gasto medio de las zonas institucionales en lps. R = Coeficiente de reingreso, igual a 80%. Esta agua son de naturaleza doméstica por tanto se pueden incluir dentro del gasto doméstico. Luis Ramos R

Estimación de las aguas residuales de origen industrial. La determinación de los aportes industriales son muy variables y dependen fundamentalmente del proceso industrial y de la composición de los desechos.

La descarga de las aguas industriales a los sistemas de disposición urbana están regidos por lo expuesto en la ley orgánica del ambiente. Cuando no se dispone de suficiente información de la zona industrial a desarrollar se pueden tomar los siguientes valores para su estimación inicial

Qind = (0.5 – 3) lt/s/hasbruta Luis Ramos R

Estimación de las aguas de infiltración. Provienen de la infiltración de agua potable, subterráneas, entre otras, sistema de colectores a través de las tuberías, juntas defectuosas, etc.

La norma establece , que deben considerarse un gasto equivalente a 20.000 lt/día/km de sistema. En la longitud se considera la longitud del colector y de los ramales de empotramiento. En la actualidad con los nuevos materiales que se utilizan los gastos por infiltración son cada vez menores Luis Ramos R

Diseño hidráulico de colectores. Las aguas residuales desde el punto de vista hidráulico se comportan de manera similar a las aguas blancas.

Para el diseño se emplean los mismos principios hidráulicos utilizados para dimensionar estructuras a través de las cuales fluyen líquidos. Por tanto Los colectores cloacales se diseñan como canales Flujo a superficie libre Luis Ramos R

Diseño hidráulico de colectores. Existen condiciones especiales donde los colectores de cloacas no se diseñan como canales, tal es el caso:

•Estaciones de bombeo de aguas residuales • Sifones invertidos

Conductos a presión

Luis Ramos R

Diseño hidráulico de colectores a superficie libre. •El Flujo en los colectores se supone Permanente y uniforme

v 0 t

Al aplicar la ecuación de la energía y la de continuidad Cota 1 – Cota 2 = Hf12

V1A1 = V2A2

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Diseño hidráulico de colectores. Para el flujo permanente y uniforme, se tiene:

• Velocidad media es constante en toda la sección del conducto. • La pendiente del conducto es paralela a la superficie del agua. • Las pérdidas de energía por fricción son iguales a la diferencia de cotas entre las secciones consideradas (energía potencial).

Para el diseño hidráulico de conductos funcionando a superficie libre en régimen permanente y uniforme se emplea la ecuación de Manning deducida a partir de la ecuación de Chezy

Luis Ramos R

Diseño hidráulico de colectores. Ecuación de Manning:

1 2 / 3 1/ 2 V  r s n

A r Pm

Donde: V = Velocidad media en la sección. r = Radio hidráulico de la sección. S = Pendiente del canal

n = Coeficiente de rugosidad de Manning A = Area de la sección. Pm = Perímetro mojado. Luis Ramos R

Diseño hidráulico de colectores. Para el caso de conductos circulares a sección plena se tiene:

H = Altura de agua en conducto. D = Diámetro de la sección.

A

D 2 4

Pm  D Donde:

D 2 D r  4D 4 Luis Ramos R

Sustituyendo en la ecuación de Manning

1 D V    n 4 

2/3

s1 / 2

En términos de caudal:

1 D Q   n 4  Material Concreto > 24 plg Concreto < 21 plg PVC Acero PEAD

2/3

2  D 1/ 2

s

4

Coef Rugosidad Manning 0.013 0.015 0.012 0.012 0.012 Luis Ramos R

Para conductos circulares parcialmente llenos, se tiene:

En este caso:

Pmf ( , H ) No puede estimarse en forma directa a través de la Ecuación de Manning.

Relacionando la sección plena (D), con diferentes alturas (H), se pueden obtener relaciones

H Qr Vr , , D Qc Vc

En Función de



Luis Ramos R

Mediante relaciones adimensionales

Luis Ramos R

En base a la tabla de relaciones hidráulicas es posible relacionar la condición a sección plena con secciones parcialmente llenas. Ejemplo: Determinar la velocidad y el gasto que circula por un colector de concreto de 15 plg, cuya pendiente es del 8 °/oo, si la altura del tirante de agua es de 18 cms. Solución A sección plena se tiene: S = 8 °/oo D= 375 mm n = 0.015 H = 18 cms Luis Ramos R

1  0.375  Qc    0.015  4 

2/3

1  0.375  Vc    0.015  4 

0.008

1/ 2

2/3

 0.3752 4

0.008

1/ 2

m3  0.136 s

m  1.23 s

Como se pide el caudal que circula para un tirante de 18 cms, se relaciona a través de la grafica adimensional de relaciones hidráulicas, a partir de: H 18cms   0.48 D 37.5cms

Luis Ramos R

Q  0.48 Qc

m3 m3 Q  0.48Qc  0.48 x0.136  0.065 s s

V  1.1 Vc

m m V  1.1Vc Luis  1.1Ramos x1.23 R  1.35 s s

Velocidades de flujo en colectores cloacales. Las normas fijan valores mínimos y máximos para las velocidades en los colectores funcionando a sección plena.

Vmínima = 0.60 m/seg Esta velocidad debe garantizar el arrastre de sedimentos en los colectores. De acuerdo a investigaciones realizadas (Guzmán) se ha determinado que el sedimento presente en las aguas residuales corresponde a una grava media, la cual requiere una velocidad de arrastre de 0.30 m/seg. Luis Ramos R

En muchas ocasiones especialmente al comienzo de los tramos la velocidad real del flujo es muy baja, incluso menor a velocidades de arrastre recomendada, aunque se cumpla la velocidad mínima exigida por las normas a sección plena.

En este caso se recomienda mantener velocidades reales iguales o superiores a 0.30 m/s, para evitar la sedimentación.

Luis Ramos R

Ejemplo: Determinar la velocidad y el gasto que circula por un colector de concreto de 300 mm plg, cuya pendiente es del 3 °/oo, si la altura del tirante de agua es de 5 cms. V=? D = 300 mm n = 0.015

H = 5 cms

A sección plena se tiene: 1  0.300  Vc    0.015  4 

2/3

1  0.300  Qc    0.015  4 

S = 3 °/oo

Relacionando H con D, se tiene: H 5cms   0.16 D 30cms Luis Ramos R

0.0031 / 2  0.60 m s

2/3

0.003

1/ 2

 0.3002 4

m3  0.045 s

V  0.46Vc  0.46 x0.6

m m  0.28 s s

m3 Q  0.02 Qc  0.02 x0.045Luis Ramos  0.9lps R s

Velocidades máximas: vienen fijadas por el tipo de material empleado, para el caso de colectores de concreto no deben ser mayores de 5 m/s Pendiente mínima de colectores La fija la velocidad mínima establecida en función de los gastos de tránsito.

Se recomienda seguir la pendiente del terreno, con esto se logran diseños económicos.

Luis Ramos R

Pendiente mínima de colectores

Diámetro (mm)

Pendiente (°/oo)

200

4

250

3.5

300

2.5

375

2

450

1.5

Luis Ramos R

Pendientes mínimas de colectores

Diámetro

Qlleno

Qreal min

(°/oo)

lps

lps

200

4

17.98

8.99

250

3.5

30 49

15.25

300

2.5

41.90

20.95

375

2

67.95

33.98

450

1.5

110.42

55.21

(mm)

Pendiente

Luis Ramos R

Profundidades de colectores La norma fija como profundidad mínima medida hasta el lomo del colector 1.15 mt. Profundidad mínima Diámetro (mm) Hmin (mts) 200

1.35

250

1.40

300

1.45

350

1.50

400

1.55

Luis Ramos R

Trazado del sistema de colectores en función a la topografía modificada y al sitio de descarga.

Colector principal: BVexist – P1 – P2 - P3 – P4 – P5. Colector Secundario: P2 – P21 –P22 Luis Ramos R

TRAZADO DE PERFILES

Colector principal: BVexist – P1 – P2 - P3 – P4 – P5.

Luis Ramos R

TRAZADO DE PERFILES Colector Secundario: P2 – P21 –P22

Luis Ramos R

Sea el siguiente urbanismo

¿Diseñar el sistema de disposición de aguas residuales? Luis Ramos R

Características de las parcelas que conforman el parcelamiento Tipo parcela

Identificación de parcela

Area de parcela M2

Características

Distribución

Unifamiliar

1-8

500

Unifamiliar

9 - 24

280

Multifamiliar

AyB

17.000

3 edif de 6 pisos,

4 apto por piso, tres habitaciones

Comercial

C

23.000

40% areas verdes y estacionamiento, 60% construcción

40% supermercados. 40% locales mercancía seca 5% circulación. 10% restaurantes 5% áreas de diversión

Luis Ramos R

Trazado del sistema de colectores en función a la topografía modificada y al sitio de descarga.

Colector principal: BVexist – P1 – P2 - P3 – P4 – P5. Colector Secundario: P2 – P21 –P22 Luis Ramos R

Dotaciones de agua Tramo

No parcelas

Area de parcela M2

Dotación Asignada Lts/día

Gasto medio en el tramo Lts/día

Gasto medio en el tramo total Lts/día

P1 – P2

0

0

0

0

0

P2 –P3

Lote C

23.000

P3 –P4

4 4

500 280

2100 1700

8400 6800

15200

P4 –P5

4 4

500 280

2100 1700

8400 6800

15200

P2 – P21

4 Lote B

280

1700

6800 86400

93200

P21 – P22

4 Lote A

280

1700

6800 86400

93200

Total

516720

299920

Luis Ramos R

Dotaciones de agua Lote C Caracteríticas de áreas

%

Ärea M2

Dotación Asignada Lts/seg

Gasto medio Lts/seg

supermercados

40

5520

20

110400

mercancía seca

40

5520

20

110400

circulación

5

690

2

1380

restaurantes

10

1380

40

55200

áreas de oficinas

5

690

6

4140

Äreas verdes y estacionamiento

40 del área total

9200

2

18400

Total

299920

Lote A y B Dotación Total = 3 Edif x 6 pisos x 4 apto x 1200 lts/apto/día = 86400 lts/día Luis Ramos R

Parte I: Estimación de gastos de diseño de aguas negras Método 1: Utilizando el concepto de caudal unitario

Determinar gastos totales de aguas blancas: En este caso se incluye en la dotación total el área comercial e institucional Qm 

516720lt / día  5.98lps 86400s / día

Adoptando una dotación promedio de 250lt/per/día, la población del urbanismo es de aproximadamente 2000 personas, este dato es calculado para estimar el factor K Luis Ramos R

QAN = Qdom + Qinf Qdom = K R Qm K  1

14  3.59 4 2

QDom  3.59 x0.8 x5.89 lps  16 .921lps Número de empotramientos: 27 Longitud promedio 3 mts para vías de 6 mts Longitud total de colectores: 695 m Linf = 27 x 3 + 695 =776 m Qinf

0.776km  20000lt / km / día  0.18lps 86400s / día Luis Ramos R

QAN = 16.91 lps + 0.18 lps = 17.10 lps Gasto unitario de aguas residuales

Para el gasto unitario se estima la longitud de colectores sobre los cuales se realizan empotramientos: Lcolectores = 695 – 115 = 580 mts

qunitario 

qunitario 

QAN Lcolectores

17.09lps  0.02946lps / m 580m Luis Ramos R

Gasto de aguas negras por tramo (Método I) Tramo

Longitud M

Gasto unitario Lps/m

Gasto arriba Lps

Gasto en tramo Lps

Gasto de tránsito Lps

P5 – P4

110

0.02946

0

3.24

3.24

P4 – P3

90

0.02946

3.24

2.65

5.89

P3 – P2

90

0.02946

5.89

2.65

8.54

P22 – P21

110

0.02946

0

3.24

3.24

P21 – P2

90

0.02946

3.24

2.65

5.89

P2 – P1

90

0.02946

14.43

2.65

17.08

P1 - BVexit

115

0.02946

17.08

0

17.08

Luis Ramos R

Gasto de aguas negras por tramo (Método II)

En este caso se determina el gasto de aguas negras por cada tramo, partiendo de la dotación de aguas blancas y la estimación de la infiltración correspondiente. Este método permite tener una distribución mucho más real de los gasto de transito de aguas negras generados en cada tramo, mas aun cuando el uso de las diferentes áreas no es uniforme.

En el problema que se analiza, las aguas de origen comercial e institucional se incluyen como aguas de origen doméstico. Por tanto: QAN = Qdom + Qinf Luis Ramos R

Gasto de aguas negras por tramo (Método II) Tramo

Longitud M

Gasto medio Lps/m

KxR 3.59x0. 8

Gasto aguas negras domesticas Lps

Gasto de infiltración Lps

Gasto de aguas negras Lps

P5 – P4

110

0.17

2.87

0.48

0.02

0.50

P4 – P3

90

0.17

2.87

0.48

0.02

0.50

P3 – P2

90

3.47

2.87

9.96

0.02

9.98

P22 – P21

110

1.08

2.87

3.07

0.02

3.09

P21 – P2

90

1.08

2.87

3.07

0.02

3.09

P2 – P1

90

0

2.87

0

0.02

0.02

P1 - BVexit

115

0

2.87

0

0.02

0.02

Totales

5.98

17.06

0.14

17.20

Luis Ramos R

Gastos de transito en los distintos tramos Tramo

Gasto arriba Lps

Gasto en tramo Lps

Gasto de tránsito Lps

P5 – P4

0

0.50

0.50

P4 – P3

0.50

0.50

1.00

P3 – P2

1.00

9.98

10.98

P22 – P21

0

3.09

3.09

P21 – P2

3.09

3.09

6.18

P2 – P1

17.16

0.02

17.18

P1 - BVexit

17.18

0.02

17.20

Luis Ramos R

Datos de la Boca de Visita Existente obtenidos en el campo.

Cota terreno: 100 msnm. Profundidad: 2.50 mts. Cota rasante: 97.50 msnm Diámetro tubería existente: 250 mm

Luis Ramos R

TRAZADO DE PERFILES Para el trazado longitudinal de los perfiles deben tomarse en cuenta las siguientes recomendaciones generales: • Usualmente se dibujan en sentido opuesto a la dirección del flujo del colector y de izquierda a derecha.

• Para las escalas tomar: Horizontal 1:1000 y vertical 1:10 • Dibujar perfiles correspondientes a colectores principales y señalar en estos las bocas de visita donde descargan los colectores secundarios.

Luis Ramos R

TRAZADO DE PERFILES

Colector principal: BVexist – P1 – P2 - P3 – P4 – P5.

Luis Ramos R

TRAZADO DE PERFILES Colector Secundario: P2 – P21 –P22

Luis Ramos R

DISEÑO DEL COLECTOR PRINCIPAL. BVexist – P1 – P2 - P3 – P4 – P5.

El diseño se realizara partiendo de la BV P5 y siguiendo el flujo del colector hasta llegar a la boca de visita existente. 1. Determinar la pendiente de las vías.

Tramo

L

Svía

Qtransito

m

°/oo

lps

P5 – P4

110

0

0.50

P4 - P3

90

5.6

1.00

P3 - P2

90

5.6

10.98

P2 - P1

90

5.6

17.18

115

4.3

17.20

P1 – BVexist

Luis Ramos R

Tramo P5 – P4 Q = 0.5 lps. L = 110 m

Para un diseño económico, se recomienda seguir la pendiente de la vía.

Svía = 0 Como la Svía = 0 y el gasto en el tramo muy pequeño, se debe seleccionar una pendiente mínima que garantice una Vr= 0.30 m/seg, ya que al seleccionar: So = 4 °/oo, el gasto mínimo debería ser 8.99 lps Determinar la capacidad a sección llena para el diámetro y la pendiente seleccionada Sc = 8°/oo; D=200 mm 1  0.20  Qc    0.015  4 

2/3

0.008

1/ 2

 0.2002 4

Luis Ramos R

1000  25.42lps

Vc 

1  0.200    0.015  4 

2/3

0.0081 / 2  0.81 m s

Chequear, velocidad real con el grafico de relaciones hidráulicas: Q 0.5   0.02 Qc 25 .42

De grafico se obtiene: V  0.36 Vc

V  0.36Vc  0.36 x0.81

m m  0.30 s s

Ok

Determinar las cotas rasantes del tramo:

Se adopta una profundidad de 1.15 m hasta el lomo del colector mínima al inicio del colector, en este caso en la BV P5. ProfP5 = 1.15 + D = 1.15 + 0.2= 1.35 Luis Ramos R

Cota rasante P5 = 102 – 1.35 = 100.65 msnm Cota rasante P4 = Cota rasante P5 – S x Ltramo 54 Donde: S

=

Pendiente del colector.

Ltramo = Longitud del tramo sen consideración en mts

Cota rasante P4 = 100.65 – (8/1000) x 110 = 99.77 msnm

Luis Ramos R

Tramo P4 – P3 Q= 1 lps L= 90 mts Svía = 5.6°/oo Como la Svía = 5.60 °/oo y el gasto igual a 1 lps, se seleccionará una pendiente igual a la que tiene la vía para optimizar costos de movimiento de tierra, manteniéndose el diámetro en 200 mm Determinar la capacidad a sección llena para el diámetro y la pendiente seleccionada

Sc = 5.6°/oo; D=200 mm 1  0.20  Qc    0.015  4 

2/3

2    0 . 200 1/ 2

0.0056

4

Luis Ramos R

1000  21.27lps

Vc 

1  0.200    0.015  4 

2/3

0.00561 / 2  0.68 m s

Chequear, velocidad real con el grafico de relaciones hidráulicas: Q 1   0.04 Qc 21 .27

De grafico se obtiene: V  0.50 Vc

V  0.50Vc  0.50 x0.68

m m  0.34 s s

Ok

Determinar las cotas rasantes del tramo: Cota rasante P3 = Cota rasante P4 – S x Ltramo 43 Cota rasante P3 = 99.77 – (5.6/1000) x 90 = 99.27msnm Luis Ramos R

Tramo P3 – P2 Q= 10.98 lps L= 90 mts Svía = 5.6°/oo Como la Svía = 5.60 °/oo y el gasto igual a 10.98 lps, se seleccionará una pendiente igual a la que tiene la vía, de diámetro en 200 mm Determinar la capacidad a sección llena para el diámetro y la pendiente seleccionada

Sc = 5.6°/oo; D=200 mm 1  0.20  Qc    0.015  4 

2/3

2    0 . 200 1/ 2

0.0056

4

Luis Ramos R

1000  21.27lps

Vc 

1  0.200    0.015  4 

2/3

0.00561 / 2  0.68 m s

Como el gasto que transita es superior al mínimo establecido para la pendiente mínima no es necesario calcular la velocidad real puesto que debe cumplir. Determinar las cotas rasantes del tramo: Cota rasante P2 = Cota rasante P3 – S x Ltramo 23 Cota rasante P2 = 99.27 – (5.6/1000) x 90 = 98.77msnm

Luis Ramos R

Tramo P2 – P1 Manteniendo Sc = 5.6°/oo; D=200 mm.

Q= 17.18 lps

Qc > Q; Vc > 0.6 m/s…..OK

L= 90 mts Svía = 5.6°/oo

Determinar las cotas rasantes del tramo:

Cota rasante P1 = 98.77 – (5.6/1000) x 90 = 98.27msnm

Luis Ramos R

Tramo P1 – BV exist Manteniendo la pendiente de vía Sc = 4.3°/oo; D = 200 mm.

Q= 17.20 lps L= 115 mts Svía = 4.3°/oo

Determinar la capacidad a sección llena 1  0.20  Qc    0.015  4 

Vc 

2/3

0.0043

1  0.200    0.015  4 

1/ 2

2/3

 0.2002 4

1000  18.64lps Qc > Q; Vc > 0.6 m/s…..OK

0.00431/ 2  0.60 m s

Cota rasante BVexit = 98.27 – (4.3/1000) x 115 = 97.78 msnm Luis Ramos R

Colector principal: BVexist – P1 – P2 - P3 – P4 – P5.

Luis Ramos R

Tramo P22 – P21 Q= 3.24 lps L= 90 mts Svía = 5.6°/oo Como la Svía = 5.60 °/oo y el gasto igual a 3.24 lps, se seleccionará una pendiente igual a la que tiene la vía para optimizar costos de movimiento de tierra, manteniéndose el diámetro en 200 mm Determinar la capacidad a sección llena para el diámetro y la pendiente seleccionada

Sc = 5.6°/oo; D=200 mm 1  0.20  Qc    0.015  4 

2/3

2    0 . 200 1/ 2

0.0056

4

Luis Ramos R

1000  21.27lps

Vc 

1  0.200    0.015  4 

2/3

0.00561 / 2  0.68 m s

Determinar las cotas rasantes del tramo: Se adopta una profundidad inicial 1.15 m Cota rasante P22 = 102 – 1.35= 100.65 msnm

Cota rasante P21 = Cota rasante P22 – S x Ltramo

Cota rasante P21 =100.65 – (5.6/1000) x100 = 100.09msnm Luis Ramos R

Tramo P21 – P2 Q= 5.89 lps L= 90 mts

Manteniendo Sc = 5.6°/oo; D=200 mm. Qc > Q; Vc > 0.6 m/s…..OK

Svía = 5.6°/oo

Cota rasante P2 =100.09 – (5.6/1000) x90 = 99.59msnm

Luis Ramos R

Colector Secundario: P2 – P21 –P22

Luis Ramos R

Diseño Estructural de Colectores El diseño tiene como objetivo la determinación del tipo de tubería (material y espesor) en base a las cargas externas a que estará sometida durante su vida útil. Cargas que actúan sobre los colectores:

1. Fuerzas debidas al terraplén. 2. Fuerzas debidas a cargas móviles.

Una vez establecida la profundidad del colector en función del diseño hidráulico, se debe seleccionar una tubería capaz de soportar las cargas que Luis actuaran sobre estos. Ramos R

En el diseño de colectores enterrados, los parámetros a considerar son:

Tipo, dirección y magnitud de las cargas

Cargas móviles. Terraplén.

Propiedades del material del colector Tipo de apoyo sobre el cual esta colocado el colector

Teoría de Marton para determinar magnitud de cargas actuante Luis Ramos R

La Teoría de Marton establece: “La carga vertical que actúa sobre un tubo enterrado será igual al peso del prima de material situado sobre el colector, mas ó menos los esfuerzos cortantes de fricción transferidos a dicho prisma por los prismas adyacentes”

Luis Ramos R

La Teoría de Marton Las cargas están influenciadas por: • Asentamiento del terraplén sobre el conducto y del material adyacente.

• Ancho de zanja. • Relación H/B; relleno/zanja • Material del lecho. • Grado de compactación • Flexibilidad del la tubería.

• Tipo de apoyo de la tubería sobre el lecho Luis Ramos R

La Teoría de Marton

W  CB

2

Donde:

W = Carga vertical por unidad de longitud que actúa sobre el colector debido al peso del materia (Kg/m3)

 = Peso unitario del material de relleno (kg/m3). B= Ancho de zanja (m). C = Coeficiente adimensional que relaciona: Relación H/B; altura del relleno/ancho zanja.

Fuerzas cortantes entre prismas. Dirección y cantidad de asentamiento relativo Luis Ramos R

La teoría de Marton fue aplicada a numerosos ensayo realizados para diferentes condiciones de carga, altura de terraplén, diferentes condiciones de colocación de tubería, tipo de apoyo. Determinándose diferentes valores del coeficiente C, los resultados de estos ensayos fueron presentados en forma grafica.

Carga por Mlineal

Altura relleno en mts Luis Ramos R

Luis Ramos R

Condiciones de Cargas sobre colectores.

Caso I, II

Caso IV

Caso III

Cuando la zanja es muy profunda ó el terreno muy inestable se soportan las paredes de la misma colocando un tablestacado (entibar). Esto altera el coeficiente C en la ecuación de Marton. Esto está incluido en las gráficas. Luis Ramos R

Profundidad mínima Diámetro (mm) Ancho sin entibar (cm) 150 60 200 80 250 80 300 80 350 100 400 100 450 100 500 110

Luis Ramos R

Ancho con entibado (cm) 100 100 100 100 120 120 120 130

Tipos de apoyo para colectores

Luis Ramos R

Tipos de Tuberías En Venezuela la tubería mas empleada para la construcción de sistemas cloacales es la de concreto construida bajo la norma INOS- CL-C-65.

Se clasifican en función de su resistencia estructural en clases que van desde la 1 hasta la 7 Tuberías sin armadura de la clase 1 hasta la 3. Tuberías con refuerzo metálico de la 4 hasta la 7.

Luis Ramos R

Ejemplo: Se desea determinar la clase y apoyo de una tubería de concreto, la cual se colocará a una profundidad 2 mts, colocación en una zona de relleno. Como la zona es de relleno se colocará en proyección negativa, se utilizara el grafico para tubos en zanja y proyección negativa. Se utilizara la clase mas inferior puesto que esta es la más económica.

Luis Ramos R

Luis Ramos R

Del grafico se obtiene que la clase 1 se puede utilizar desde una profundidad de 0.5 hasta 4.05 metros. Por tanto se empleará la clase 1. Para el tipo de apoyo: Utilizando clase 1 apoyo c, se puede emplear desde 1 hasta 2 metros, como las profundidad es 2.5 dicho apoyo no resulta. Utilizando Clase 1 apoyo B, se puede emplear desde 0.5 hasta 2.7 metros, por tanto esa la solución.

Tubería de concreto clase 1, apoyo B

Luis Ramos R